Поколение компьютеров, в которых электронные лампы были основным элементом

Обновлено: 04.07.2024

От UNIVAC до новейших настольных ПК эволюция компьютеров шла очень быстро. Компьютеры первого поколения были известны тем, что в их конструкции использовались электронные лампы. В последующем поколении будут использоваться гораздо меньшие по размеру и более эффективные транзисторы.

Из тюбиков.

Любой современный цифровой компьютер в значительной степени представляет собой набор электронных переключателей. Эти переключатели используются для представления и управления маршрутизацией элементов данных, называемых двоичными цифрами (или битами). Из-за характера включения или выключения двоичной информации и маршрутизации сигналов, используемых компьютером, требовался эффективный электронный переключатель. Первые электронные компьютеры использовали электронные лампы в качестве переключателей, и хотя лампы работали, у них было много проблем.

Тип лампы, использовавшийся в первых компьютерах, назывался триодом и был изобретен Ли Де Форестом в 1906 году. Он состоит из катода и пластины, разделенных управляющей сеткой, подвешенной в стеклянной вакуумной трубке. Катод нагревается раскаленной докрасна электрической нитью, что заставляет его испускать электроны, которые притягиваются к пластине. Управляющая сетка посередине может управлять этим потоком электронов. Делая его отрицательным, вы заставляете электроны отталкиваться обратно к катоду; делая его положительным, вы заставляете их притягиваться к тарелке. Таким образом, контролируя ток сетки, вы можете управлять включением/выключением пластины.

К сожалению, трубка оказалась неэффективной в качестве переключателя. Он потреблял много электроэнергии и выделял огромное количество тепла — серьезная проблема в более ранних системах. В первую очередь из-за выделяемого ими тепла трубки были общеизвестно ненадежны — в более крупных системах одна из них выходила из строя каждые пару часов или около того.

<р>. К транзисторам

Изобретение транзистора было одним из самых важных событий, приведших к революции в области персональных компьютеров. Транзистор был изобретен в 1947 году и анонсирован в 1948 году инженерами лаборатории Белла Джоном Бардином и Уолтером Браттейном. Соратник Белла Уильям Шокли изобрел переходной транзистор несколько месяцев спустя, и все трое вместе получили Нобелевскую премию по физике в 1956 году за изобретение транзистора. Транзистор, который по существу функционирует как твердотельный электронный переключатель, заменил менее подходящую вакуумную лампу. Поскольку транзистор был намного меньше и потреблял значительно меньше энергии, компьютерная система, построенная на транзисторах, была намного меньше, быстрее и эффективнее, чем компьютерная система, построенная на электронных лампах.

Переход от ламп к транзисторам положил начало тенденции к миниатюризации, которая продолжается и по сей день. Современные небольшие ноутбуки (или нетбуки, если хотите) и даже планшетные ПК, работающие от аккумуляторов, обладают большей вычислительной мощностью, чем многие более ранние системы, заполнявшие комнаты и потреблявшие огромное количество электроэнергии.

Несмотря на то, что за прошедшие годы было разработано множество конструкций транзисторов, транзисторы, используемые в современных компьютерах, обычно представляют собой металлооксидно-полупроводниковые полевые транзисторы (МОП-транзисторы). МОП-транзисторы изготавливаются из слоев материалов, нанесенных на кремниевую подложку. Некоторые слои содержат кремний с определенными примесями, добавленными в процессе, называемом легированием или ионной бомбардировкой, в то время как другие слои включают диоксид кремния (который действует как изолятор), поликремний (который действует как электрод) и металл, действующий как провода для подключите транзистор к другим компонентам. Состав и расположение различных типов легированного кремния позволяют им действовать как проводник или изолятор, поэтому кремний называют полупроводником.

МОП-транзисторы могут быть выполнены как NMOS-, так и PMOS-типы в зависимости от расположения используемого легированного кремния. Кремний, легированный бором, называется P-типом (положительным), поскольку в нем отсутствуют электроны, тогда как кремний, легированный фосфором, называется N-типом (отрицательным), поскольку в нем избыток свободных электронов.

МОП-транзисторы имеют три соединения: исток, затвор и сток. Транзистор NMOS изготовлен с использованием кремния N-типа для истока и стока, а кремний P-типа помещен между ними. Затвор расположен над кремнием P-типа, разделяя исток и сток, и отделен от кремния P-типа изолирующим слоем диоксида кремния. Обычно ток между кремнием N-типа и P-типа отсутствует, что предотвращает поток электронов между истоком и стоком. Когда на затвор подается положительное напряжение, электрод затвора создает поле, которое притягивает электроны к кремнию P-типа между истоком и стоком. Это, в свою очередь, изменяет поведение этой области, как если бы это был кремний N-типа, создавая путь для протекания тока и открывая транзистор.

Транзистор PMOS работает аналогичным, но противоположным образом. Кремний P-типа используется для истока и стока, а кремний N-типа расположен между ними.Когда на затвор подается отрицательное напряжение, электрод затвора создает поле, которое отталкивает электроны от кремния N-типа между истоком и стоком. Это, в свою очередь, изменяет поведение этой области, как если бы это был кремний P-типа, создавая путь для протекания тока и открывая транзистор.

Когда полевые транзисторы NMOS и PMOS объединены в комплементарную компоновку, мощность используется только тогда, когда транзисторы переключаются, что делает возможными плотные схемы с низким энергопотреблением. По этой причине практически все современные процессоры разрабатываются с использованием технологии CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor).

По сравнению с лампой транзистор гораздо более эффективен в качестве переключателя и может быть уменьшен до микроскопических размеров. С момента изобретения транзистора инженеры стремились сделать его все меньше и меньше. В 2003 году исследователи NEC представили кремниевый транзистор размером всего 5 нанометров (миллиардные доли метра). Другие технологии, такие как графен и углеродные нанотрубки, изучаются для производства транзисторов еще меньшего размера, вплоть до молекулярного или даже атомного масштаба. В 2008 году британские исследователи представили транзистор на основе графена толщиной всего в 1 атом и 10 атомов (1 нм) в поперечнике, а в 2010 году исследователи IBM создали транзисторы на основе графена, переключающиеся с частотой 100 гигагерц, тем самым проложив путь для будущих чипов с большей плотностью и плотностью. быстрее, чем это возможно с конструкциями на основе кремния.

Интегральные схемы: новое поколение

В третьем поколении современных компьютеров используются интегральные схемы вместо отдельных транзисторов. Джеку Килби из Texas Instruments и Роберту Нойсу из Fairchild приписывают изобретение интегральной схемы (ИС) в 1958 и 1959 годах. ИС — это полупроводниковая схема, содержащая более одного компонента на одной основе (или материале подложки), которая обычно соединяются между собой без проводов. Первый прототип ИС, построенный Килби в TI в 1958 году, содержал только один транзистор, несколько резисторов и конденсатор на одной пластине из германия, а для их соединения были использованы тонкие золотые «летающие провода». Однако из-за того, что тросы приходилось прикреплять по отдельности, производство такого типа конструкции было непрактичным. Для сравнения, Нойс запатентовал «плоскую» конструкцию ИС в 1959 году, в которой все компоненты распылены или вытравлены на кремниевой основе, включая слой межсоединений из алюминия. В 1960 году Фэирчайлд сконструировал первую планарную ИС, состоящую из триггерной схемы с четырьмя транзисторами и пятью резисторами на круглом кристалле размером всего около 20 мм 2 . Для сравнения, четырехъядерный процессор Intel Core i7 включает 731 миллион транзисторов (и множество других компонентов) на одном кристалле площадью 263 мм 2!

Вакуумная трубка — электронное устройство, управляющее потоком электронов в вакууме. Он использовался в качестве переключателя, усилителя или экрана дисплея во многих старых моделях радиоприемников, телевизоров, компьютеров и т. д.

Транзистор — электронный компонент, который можно использовать как усилитель или как переключатель. Он используется для управления потоком электроэнергии в радиоприемниках, телевизорах, компьютерах и т. д.

< бр />

Интегральная схема (ИС) – небольшая электронная схема, напечатанная на микросхеме (обычно из кремния), которая содержит множество собственных элементов схемы (например, транзисторы, диоды, резисторы и т. д.).

Микропроцессор – электронный компонент, находящийся на интегральной схеме, которая содержит центральный процессор компьютера (ЦП) и другие связанные схемы.

ЦП (центральный процессор). Его часто называют мозгом или двигателем компьютера, в котором выполняется большая часть обработки и операций (ЦП является частью микропроцессора).

Магнитный барабан — цилиндр, покрытый магнитным материалом, на котором могут храниться данные и программы.

Магнитный сердечник — для хранения информации используются массивы небольших колец намагниченного материала, называемых сердечниками.

< бр />

Машинный язык — низкоуровневый язык программирования, состоящий из набора двоичных цифр (единиц и нулей), которые компьютер может читать и понимать.

Язык ассемблера похож на машинный язык, понятный компьютеру, за исключением того, что язык ассемблера использует сокращенные слова (например,ADD, SUB, DIV…) вместо цифр (0 и 1).

Память — физическое устройство, которое используется для хранения данных, информации и программ в компьютере.

Искусственный интеллект (ИИ) – область информатики, которая занимается моделированием и созданием интеллектуальных машин или интеллектуальным поведением компьютеров (они думают, учатся, работают и реагируют, как люди).

Классификация поколений компьютеров

Эволюция компьютерных технологий часто делится на пять поколений.

Пять поколений компьютеров < td style="width: 33,3333%; height: 16px;">Третье поколение < /tr>

Поколения компьютеров	Временная шкала поколений	Развитие оборудования
Первое поколение	1940–1950-е	Вакуумная лампа
Второе поколение	1950–1960-е годы	Транзистор
1960–1970-е	На основе интегральной схемы
Четвертое поколение	1970-е — настоящее время	Микропроцессор
Пятое поколение	Настоящее и будущее	На основе искусственного интеллекта

Основные характеристики компьютеров первого поколения (1940–1950-е годы)

Основной электронный компонент — вакуумная лампа.
Основная память – магнитные барабаны и магнитные ленты.
Язык программирования — машинный язык
Электроэнергия — потребляет много электроэнергии и выделяет много тепла.
Скорость и размер — очень медленный и очень большой по размеру (часто занимает всю комнату).
Устройства ввода/вывода — перфокарты и бумажная лента.
Примеры: ENIAC, UNIVAC1, IBM 650, IBM 701 и т. д.
Количество — в период с 1942 по 1963 год было произведено около 100 различных ламповых компьютеров.

Основные характеристики компьютеров второго поколения (1950–1960-е годы)

Основные характеристики компьютеров третьего поколения (1960–1970-е годы)

Основной электронный компонент — интегральные схемы (ИС)
Память — большой магнитный сердечник, магнитная лента/диск
Язык программирования — язык высокого уровня (FORTRAN, BASIC, Pascal, COBOL, C и т. д.)
Размер — меньше, дешевле и эффективнее компьютеров второго поколения (их называли миникомпьютерами).
Скорость — повышение скорости и надежности (по сравнению с компьютерами второго поколения).
Устройства ввода/вывода — магнитная лента, клавиатура, монитор, принтер и т. д.
Примеры: IBM 360, IBM 370, PDP-11, UNIVAC 1108 и т. д.

Основные характеристики компьютеров четвертого поколения (с 1970-х по настоящее время)

Основной электронный компонент — сверхбольшая интеграция (СБИС) и микропроцессор.
СБИС — тысячи транзисторов на одном микрочипе.
Память — полупроводниковая память (такая как RAM, ROM и т. д.)
- ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) — тип хранилища данных (элемент памяти), используемый в компьютерах для временного хранения программ и данных (энергозависимых: его содержимое теряется при выключении компьютера).
- ПЗУ (постоянная память) — тип хранилища данных, используемый в компьютерах, в котором постоянно хранятся данные и программы (энергонезависимое: его содержимое сохраняется даже при выключении компьютера).
- Сочетание языков третьего и четвертого поколения.
- Сеть — группа из двух или более компьютерных систем, связанных вместе.
- Примеры: IBM PC, STAR 1000, APPLE II, Apple Macintosh и т. д.
Основные характеристики компьютеров пятого поколения (настоящее и будущее)
- Основной электронный компонент: основан на искусственном интеллекте, использует технологию сверхбольшой интеграции (ULSI) и метод параллельной обработки.
  - ULSI — миллионы транзисторов на одном микрочипе.
  - Метод параллельной обработки — использование двух или более микропроцессоров для одновременного выполнения задач.
  Компьютер. Менее чем за 100 лет эта удивительная технология прошла путь от технологии, предназначенной только для правительства/бизнеса, до повсеместного использования в домах, на рабочих местах и в карманах людей.
  
  Атрибуция мультимедиа
  электронное устройство, управляющее потоком электронов в вакууме. Он использовался в качестве переключателя, усилителя или экрана дисплея во многих старых моделях радиоприемников, телевизоров, компьютеров и т. д.
  
  электронный компонент, который можно использовать в качестве усилителя или переключателя. Он используется для управления потоком электроэнергии в радиоприемниках, телевизорах, компьютерах и т. д.
  
  небольшая электронная схема, напечатанная на микросхеме (обычно сделанной из кремния), которая содержит множество собственных элементов схемы (например, транзисторы, диоды, резисторы и т. д.).
  
  электронный компонент, находящийся на интегральной схеме, которая содержит центральный процессор компьютера (ЦП) и другие связанные схемы.
  
  Мозг или двигатель компьютера, в котором происходит большая часть обработки и операций.
  
  цилиндр, покрытый магнитным материалом, на котором можно хранить данные и программы.
  
  использует массивы маленьких колец намагниченного материала, называемых ядрами, для хранения информации.
  
  язык программирования низкого уровня, состоящий из набора двоичных цифр (единиц и нулей), которые компьютер может читать и понимать.
  
  физическое устройство, используемое для хранения данных, информации и программ на компьютере.
  
  область информатики, которая занимается моделированием и созданием интеллектуальных машин или интеллектуальным поведением компьютеров (они думают, учатся, работают и реагируют как люди).
  
  Поколения компьютеров основаны на том, когда произошли основные технологические изменения в компьютерах, такие как использование электронных ламп, транзисторов и микропроцессоров. По состоянию на 2020 год существует пять поколений компьютеров.
  
  Ознакомьтесь с каждым поколением ниже, чтобы получить дополнительную информацию и примеры компьютеров и технологий, относящихся к каждому поколению.
  
  Первое поколение (1940 - 1956)
  
  В первом поколении компьютеров в качестве основной технологии использовались электронные лампы. Электронные лампы широко использовались в компьютерах с 1940 по 1956 год. Электронные лампы были более крупными компонентами, в результате чего компьютеры первого поколения были довольно большими по размеру и занимали много места в комнате. Некоторые компьютеры первого поколения занимали целую комнату.
  
  ENIAC — отличный пример компьютера первого поколения. Он состоял из почти 20 000 электронных ламп, 10 000 конденсаторов и 70 000 резисторов. Он весил более 30 тонн и занимал много места, поэтому для его размещения требовалось большое помещение. Другими примерами компьютеров первого поколения являются EDSAC, IBM 701 и Manchester Mark 1.
  
  Второе поколение (1956 - 1963)
  
  Во втором поколении компьютеров вместо электронных ламп использовались транзисторы. Транзисторы широко использовались в компьютерах с 1956 по 1963 год. Транзисторы были меньше, чем электронные лампы, и позволяли компьютерам быть меньше по размеру, быстрее по скорости и дешевле в сборке.
  
  Первым компьютером, в котором использовались транзисторы, был TX-0, представленный в 1956 году.Другие компьютеры, в которых использовались транзисторы, включают IBM 7070, Philco Transac S-1000 и RCA 501.
  
  Третье поколение (1964–1971)
  
  Компьютеры третьего поколения представили использование ИС (интегральных схем) в компьютерах. Использование интегральных схем в компьютерах помогло уменьшить размер компьютеров даже больше, чем компьютеры второго поколения, а также сделало их быстрее.
  
  Почти все компьютеры с середины до конца 1960-х годов использовали микросхемы. Хотя многие люди считают, что третье поколение появилось в период с 1964 по 1971 год, ИС до сих пор используются в компьютерах. Спустя более 45 лет современные компьютеры имеют глубокие корни, восходящие к третьему поколению.
  
  Четвертое поколение (1972–2010 гг.)
  
  Компьютеры четвертого поколения воспользовались преимуществами изобретения микропроцессора, более известного как ЦП. Микропроцессоры с интегральными схемами позволили компьютерам легко разместиться на столе и появились ноутбуки.
  
  Некоторые из первых компьютеров, в которых использовался микропроцессор, включают Altair 8800, IBM 5100 и Micral. В современных компьютерах по-прежнему используется микропроцессор, несмотря на то, что четвертое поколение считается выведенным из эксплуатации в 2010 году.
  
  Пятое поколение (с 2010 г. по настоящее время)
  
  Компьютеры пятого поколения начинают использовать ИИ (искусственный интеллект) — захватывающую технологию, которая может найти множество применений по всему миру. В технологиях искусственного интеллекта и компьютерах был сделан скачок, но еще многое предстоит сделать.
  
  Одним из наиболее известных примеров использования ИИ в компьютерах является IBM Watson, который был показан в телешоу Jeopardy в качестве участника. Другие более известные примеры включают Siri от Apple на iPhone и Cortana от Microsoft на компьютерах с Windows 8 и Windows 10. Поисковая система Google также использует искусственный интеллект для обработки запросов пользователей.
  
  Шестое поколение (будущие поколения)
  
  По состоянию на 2021 год большинство все еще считают, что мы живем в пятом поколении, поскольку ИИ продолжает развиваться. Одним из возможных претендентов на будущее шестое поколение является квантовый компьютер. Однако до тех пор, пока квантовые вычисления не станут более развитыми и широко используемыми, это все еще только многообещающая технология.
  
  История развития компьютеров – это раздел компьютерных наук, который часто используется для обозначения различных поколений вычислительных устройств . Каждое поколение компьютеров характеризуется значительным технологическим развитием, которое коренным образом изменило способ работы компьютеров.
  
  Большинство крупных разработок, произошедших с 1940-х годов до наших дней, привели к созданию все более компактных, дешевых, мощных и эффективных вычислительных машин и технологий, что позволило сократить объем памяти и повысить портативность.
  
  Что такое 5 поколений компьютеров?
  
  В этом учебном пособии Webopedia вы узнаете больше о каждом из пяти поколений компьютеров и достижениях в области технологий, которые привели к разработке многих вычислительных устройств, которые мы используем сегодня.
  
  Наш путь к пяти поколениям компьютеров начинается в 1940 году со схем на электронных лампах и продолжается до наших дней и далее с системами и устройствами искусственного интеллекта (ИИ).
  
  Давайте посмотрим…
  
  Контрольный список 5 поколений компьютеров
  - Начало работы: ключевые термины, которые нужно знать
  - Первое поколение: вакуумные лампы
  - Второе поколение: транзисторы
  - Третье поколение: интегральные схемы
  - Четвертое поколение: микропроцессоры
  - Пятое поколение: искусственный интеллект
  Начало работы: ключевые термины, которые нужно знать
  
  Следующие определения технологий помогут вам лучше понять пять поколений вычислительной техники:
  
  Первое поколение: электронные лампы (1940–1956)
  
  Первые компьютерные системы использовали электронные лампы в качестве схем и магнитные барабаны в качестве основной памяти , и они часто были огромными, занимая целые комнаты. Эти компьютеры были очень дорогими в эксплуатации, и в дополнение к потреблению большого количества электроэнергии первые компьютеры выделяли много тепла, что часто было причиной сбоев в работе. Максимальная емкость внутренней памяти составляла 20 000 символов.
  
  Компьютеры первого поколения полагались на машинный язык , язык программирования самого низкого уровня, понятный компьютерам, для выполнения операций, и они могли решать только одну проблему за раз.Операторам требовалось несколько дней или даже недель, чтобы установить новую проблему. Ввод осуществлялся с помощью перфокарт и бумажной ленты, а вывод отображался на распечатках.
  
  Именно в этом поколении была представлена архитектура фон Неймана, которая отображает архитектуру дизайна электронного цифрового компьютера. Позже образцами вычислительной техники первого поколения стали компьютеры UNIVAC и ENIAC, изобретенные Дж. Преспером Эккертом. UNIVAC был первым коммерческим компьютером, поставленным бизнес-клиенту, Бюро переписи населения США, в 1951 году.
  
  Компьютер UNIVAC в Бюро переписи населения. Источник изображения: Бюро переписи населения США.
  
  Второе поколение: транзисторы (1956–1963)
  
  Мир увидит, как транзисторы заменят электронные лампы во втором поколении компьютеров. Транзистор был изобретен в Bell Labs в 1947 году, но не нашел широкого применения в компьютерах до конца 1950-х годов. Компьютеры этого поколения также включали усовершенствования аппаратного обеспечения, такие как память на магнитных сердечниках, магнитная лента и магнитный диск.
  
  Транзистор намного превосходил вакуумную лампу, благодаря чему компьютеры стали меньше, быстрее, дешевле, энергоэффективнее и надежнее, чем их предшественники первого поколения. Хотя транзистор по-прежнему выделял много тепла, что приводило к повреждению компьютера, это был значительный шаг вперед по сравнению с электронной лампой. Компьютер второго поколения по-прежнему полагался на перфокарты для ввода и распечатки для вывода.
  
  Ранний транзистор Philco (1950-е гг.). Источник изображения: коллекционные винтажные компьютерные чипы
  
  От двоичного файла к сборке
  
  Компьютеры второго поколения перешли от загадочного двоичного языка к символическим языкам или языкам ассемблера, что позволило программистам задавать инструкции словами. В то время также разрабатывались языки программирования высокого уровня, такие как ранние версии COBOL и FORTRAN. Это были также первые компьютеры, которые хранили свои инструкции в своей памяти, которые перешли от магнитного барабана к технологии магнитного сердечника.
  
  Первые компьютеры этого поколения были разработаны для атомной энергетики.
  
  Третье поколение: интегральные микросхемы (1964–1971 гг.)
  
  Разработка интегральной схемы стала отличительной чертой третьего поколения компьютеров. Транзисторы были миниатюризированы и размещены на кремниевых микросхемах, называемых полупроводниками, что значительно увеличило скорость и эффективность компьютеров.
  
  Вместо перфокарт и распечаток пользователи будут взаимодействовать с компьютером третьего поколения через клавиатуру и мониторы, а также через интерфейс с операционной системой, что позволит устройству одновременно запускать множество различных приложений с помощью центральной программы, отслеживающей память. Компьютеры впервые стали доступны для массовой аудитории, потому что они были меньше и дешевле, чем их предшественники.
  
  Знаете ли вы… ? Микросхемы с интегральной схемой (ИС) — это небольшие электронные устройства, изготовленные из полупроводникового материала. Первая интегральная схема была разработана в 1950-х годах Джеком Килби из Texas Instruments и Робертом Нойсом из Fairchild Semiconductor.
  
  Четвертое поколение: микропроцессоры (1971–настоящее время)
  
  Микропроцессор положил начало четвертому поколению компьютеров, так как тысячи интегральных схем были построены на одном кремниевом чипе. Технологии первого поколения, заполнявшие всю комнату, теперь могли умещаться на ладони. Микросхема Intel 4004, разработанная в 1971 году, объединила все компоненты компьютера, от центрального процессора и памяти до элементов управления вводом/выводом, на одной микросхеме.
  
  В 1981 году IBM представила свой первый персональный компьютер для домашних пользователей, а в 1984 году Apple представила Macintosh. Микропроцессоры также переместились из сферы настольных компьютеров во многие сферы жизни, поскольку микропроцессорные микросхемы стали использоваться во все большем количестве повседневных продуктов.
  
  По мере того, как эти маленькие компьютеры становились все более мощными, их можно было объединять в сети, что в конечном итоге привело к развитию Интернета. На каждом компьютере четвертого поколения также разрабатывались графические интерфейсы , мышь и портативные устройства.
  
  Первый микропроцессор Intel, 4004, был задуман Тедом Хоффом и Стэнли Мейзором. Источник изображения: Хронология Intel (PDF)
  
  Пятое поколение: искусственный интеллект (настоящее и будущее)
  
  Компьютерные технологии пятого поколения, основанные на искусственном интеллекте, все еще находятся в разработке, хотя некоторые приложения, такие как распознавание голоса, используются и сегодня. Использование параллельной обработки и сверхпроводников помогает сделать искусственный интеллект реальностью. На данный момент это также лучшее поколение для упаковки большого объема памяти в компактное и портативное устройство.
  
  Квантовые вычисления, молекулярные и нанотехнологии радикально изменят облик компьютеров в ближайшие годы.Цель вычислений пятого поколения – разработать устройства, которые будут реагировать на ввод данных на естественном языке и способны к обучению и самоорганизации.
  
  Читайте также: